Un scaphandre spatial est un vêtement pressurisé porté par les astronautes lors des vols spatiaux. Il est conçu pour les protéger des conditions potentiellement dommageables rencontrées dans l’espace. Les combinaisons spatiales sont également connues sous le nom d’unités de mobilité extravéhiculaire (EMU) pour refléter le fait qu’elles sont également utilisées comme aides à la mobilité lorsqu’un astronaute effectue une sortie dans l’espace en dehors d’un vaisseau spatial en orbite. Elles sont composées de nombreux éléments sur mesure, produits par divers fabricants et assemblés par la National Aeronautics Space Agency (NASA) à son siège de Houston. Les premières combinaisons spatiales ont été introduites dans les années 1950, au début de l’exploration spatiale. Elles ont évolué au fil du temps, devenant plus fonctionnelles et plus compliquées. Aujourd’hui, la NASA possède 17 UEM achevées, dont la fabrication a coûté plus de 10,4 millions de dollars chacune.

Contexte

Sur Terre, notre atmosphère nous fournit les conditions environnementales dont nous avons besoin pour survivre. Nous prenons pour acquis les choses qu’elle nous fournit, comme l’air pour respirer, la protection contre le rayonnement solaire, la régulation de la température et la pression constante. Dans l’espace, aucune de ces caractéristiques protectrices n’est présente. Par exemple, un environnement sans pression constante ne contient pas d’oxygène respirable. De plus, la température dans l’espace peut atteindre -459,4° F (-273° C). Pour que les humains puissent survivre dans l’espace, ces conditions protectrices ont dû être synthétisées.

Une combinaison spatiale est conçue pour recréer les conditions environnementales de l’atmosphère terrestre. Elle fournit les éléments de base nécessaires au maintien de la vie tels que l’oxygène, le contrôle de la température, l’enceinte pressurisée, l’élimination du dioxyde de carbone et la protection contre la lumière du soleil, le rayonnement solaire et les minuscules micrométéorites. Il s’agit d’un système de survie pour les astronautes travaillant en dehors de l’atmosphère terrestre. Les combinaisons spatiales ont été utilisées pour de nombreuses tâches importantes dans l’espace. Elles aident notamment au déploiement des charges utiles, à la récupération et à l’entretien des équipements en orbite, à l’inspection externe et à la réparation de l’orbiteur, et à la prise de photographies étonnantes.

Historique

Les combinaisons spatiales ont évolué naturellement au fur et à mesure des améliorations technologiques apportées dans les domaines des matériaux, de l’électronique et des fibres. Durant les premières années du programme spatial, les combinaisons spatiales étaient faites sur mesure pour chaque astronaute. Elles étaient beaucoup moins complexes que les combinaisons d’aujourd’hui. En fait, la combinaison portée par Alan Shepard lors du premier vol suborbital américain n’était guère plus qu’une combinaison pressurisée adaptée de la combinaison pressurisée des avions à réaction à haute altitude de la marine américaine. Cette combinaison ne comportait que deux couches et il était difficile pour le pilote de bouger ses bras ou ses jambes.

La combinaison spatiale de prochaine génération a été conçue pour protéger contre la dépressurisation pendant que les astronautes étaient dans un vaisseau spatial en orbite. Cependant, les sorties dans l’espace dans ces combinaisons n’étaient pas possibles car elles ne protégeaient pas contre l’environnement difficile de l’espace. Ces combinaisons étaient constituées de cinq couches. La couche la plus proche du corps était un sous-vêtement en coton blanc qui comportait des attaches pour des dispositifs biomédicaux. Vient ensuite une couche de nylon bleu qui assure le confort. Au-dessus de la couche de nylon bleu se trouvait une couche de nylon noir pressurisée, recouverte de néoprène. Elle fournit de l’oxygène en cas de défaillance de la pression de la cabine. Une couche de téflon était ensuite destinée à maintenir la forme de la combinaison lorsqu’elle était pressurisée, et la dernière couche était un matériau en nylon blanc qui réfléchissait la lumière du soleil et protégeait des dommages accidentels.

Pour les premières sorties dans l’espace qui ont eu lieu lors des missions Gemini en 1965, une combinaison à sept couches a été utilisée pour une protection supplémentaire. Les couches supplémentaires étaient composées de Mylar aluminisé, qui fournissait une plus grande protection thermique et une protection contre les micrométéorites. Ces combinaisons avaient un poids total de 15 kg (33 lb). Bien qu’elles soient adéquates, elles présentaient certains problèmes. Par exemple, le masque facial du casque s’embuait rapidement, ce qui nuisait à la vision. De plus, le système de refroidissement des gaz n’était pas adéquat car il ne pouvait pas éliminer la chaleur excessive et l’humidité assez rapidement.

Sally Ride

Sally Ride est surtout connue comme la première femme américaine envoyée dans l’espace. À la fois scientifique et professeur, elle a été membre du Centre pour la sécurité internationale et le contrôle des armements de l’université de Stanford, membre du conseil d’administration d’Apple Computer Inc. et directrice d’un institut spatial et professeur de physique à l’université de Californie à San Diego. Ride a choisi d’écrire principalement pour les enfants sur les voyages et l’exploration spatiale.

Sally Kristen Ride est la fille aînée de Dale Burdell et Carol Joyce (Anderson) Ride d’Encino, en Californie, et est née le 26 mai 1951. Comme l’auteur Karen O’Connor décrit le garçon manqué Ride dans son livre pour jeunes lecteurs, Sally Ride and the New Astronauts, Sally faisait la course avec son père pour la section sportive du journal alors qu’elle n’avait que cinq ans. Famille active, aventureuse, mais aussi érudite, les Ride ont voyagé en Europe pendant un an lorsque Sally avait neuf ans et sa sœur Karen sept. Alors que Karen est inspirée par l’esprit de ses parents, qui sont des anciens de leur église presbytérienne, Ride développe son propre goût pour l’exploration, ce qui l’amène à postuler au programme spatial presque sur un coup de tête. « Je ne sais pas pourquoi je voulais le faire », a-t-elle avoué à Newsweek avant d’embarquer pour son premier vol spatial.

L’opportunité était fortuite, puisque l’année où elle a commencé à chercher un emploi marquait la première fois que la NASA ouvrait son programme spatial aux candidats depuis la fin des années 1960, et la toute première fois que les femmes ne seraient pas exclues de la considération. Ride a été l’une des trente-cinq personnes choisies parmi un groupe de huit mille candidats pour l’entraînement aux vols spatiaux de 1978. « La raison pour laquelle j’ai été sélectionnée reste un mystère complet », a-t-elle admis plus tard à John Grossmann lors d’une interview dans Health en 1985. « Aucun d’entre nous ne l’a jamais su ».

Ride deviendra par la suite, à trente et un ans, la plus jeune personne envoyée en orbite ainsi que la première Américaine dans l’espace, la première Américaine à effectuer deux vols spatiaux et, par coïncidence, la première astronaute à épouser un autre astronaute en service actif.

Ride quitte la NASA en 1987 pour le Centre de sécurité internationale et de contrôle des armements de Stanford, et deux ans plus tard, elle devient directrice de l’Institut spatial de Californie et professeur de physique à l’Université de Californie à San Diego.

Les missions Apollo ont utilisé des combinaisons plus compliquées qui ont résolu certains de ces problèmes. Pour les marches sur la lune, les astronautes portaient un vêtement à sept couches avec un sac à dos de survie. Le poids total était d’environ 26 kg (57 lb). Pour les missions de la navette spatiale, la NASA a introduit l’unité de mobilité extravéhiculaire (EMU). Il s’agissait d’une combinaison spatiale conçue pour les sorties dans l’espace qui ne nécessitaient pas de connexion avec l’orbiteur. L’une des principales différences de ces combinaisons était qu’elles étaient conçues pour être utilisées par plusieurs astronautes au lieu d’être fabriquées sur mesure comme les combinaisons spatiales précédentes. Au cours des 20 dernières années, les EMU ont fait l’objet d’améliorations constantes, mais ils ont toujours le même aspect qu’au début du programme de la navette en 1981. Actuellement, l’EMU possède 14 couches de protection et pèse plus de 275 lb (125 kg).

Matières premières

De nombreuses matières premières sont utilisées pour la construction d’une combinaison spatiale. Les matériaux du tissu comprennent une variété de différents polymères synthétiques. La couche la plus interne est constituée d’un matériau en tricot de nylon. Une autre couche est composée de spandex, un polymère élastique portable. Il existe également une couche de nylon enduit d’uréthane, qui intervient dans la pressurisation. Le dacron, un type de polyester, est utilisé comme couche de retenue de la pression. Les autres tissus synthétiques utilisés comprennent le néoprène qui est un type de caoutchouc spongieux, le Mylar aluminisé, le Gortex, le Kevlar et le Nomex.

Au-delà des fibres synthétiques, d’autres matières premières ont des rôles importants. La fibre de verre est le matériau principal pour le segment dur du torse supérieur. L’hydroxyde de lithium est utilisé pour fabriquer le filtre qui élimine le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau pendant une sortie dans l’espace. Un mélange argent-zinc constitue la batterie qui alimente la combinaison. Des tubes en plastique sont tissés dans le tissu pour transporter l’eau de refroidissement dans toute la combinaison. Un matériau en polycarbonate est utilisé pour construire la coque du casque. Divers autres composants sont utilisés pour constituer les circuits électroniques et les commandes de la combinaison.

Conception

Une seule combinaison spatiale EMU est construite à partir de divers composants sur mesure produits par plus de 80 entreprises. La taille des pièces varie, allant de rondelles d’un huitième de pouce à un réservoir d’eau de 30 pouces (76,2 cm) de long. L’UEM se compose de 18 éléments distincts. Certains des principaux composants sont décrits ci-dessous.

Le système de survie primaire est un sac à dos autonome qui est équipé d’une réserve d’oxygène, de filtres d’élimination du dioxyde de carbone, d’une alimentation électrique, d’un ventilateur et d’un équipement de communication. Il fournit à l’astronaute la plupart des éléments nécessaires à sa survie tels que l’oxygène, la purification de l’air, le contrôle de la température et la communication. Le réservoir de la combinaison peut contenir jusqu’à sept heures d’oxygène. Un pack d’oxygène secondaire se trouve également sur la combinaison. Il permet de disposer de 30 minutes supplémentaires d’oxygène d’urgence.

Le casque est une grande bulle en plastique, pressurisée, qui possède un anneau de cou et un coussin de distribution de la ventilation. Il possède également une valve de purge, qui est utilisée avec un pack d’oxygène secondaire. Dans le casque, il y a une paille vers un sac à boisson au cas où l’astronaute aurait soif, une visière qui protège des rayons du soleil éclatant, et une caméra qui enregistre les activités extravéhiculaires. Comme les sorties dans l’espace peuvent durer plus de sept heures d’affilée, la combinaison est équipée d’un système de collecte d’urine pour permettre les pauses toilettes. L’ensemble MSOR se fixe à l’extérieur du casque. Ce dispositif (également connu sous le nom de « Snoopy Cap ») se met en place à l’aide d’une mentonnière. Il se compose d’écouteurs et d’un microphone pour une communication bidirectionnelle. Il comporte également quatre petites « lampes frontales » qui diffusent une lumière supplémentaire là où c’est nécessaire. La visière est ajustée manuellement pour protéger les yeux de l’astronaute.

Pour maintenir la température, un vêtement de refroidissement et de ventilation liquide est porté sous le vêtement extérieur. Il est composé de tubes de refroidissement, dans lesquels circule un fluide. Le sous-vêtement est une combinaison en maille d’une seule pièce composée de spandex. Il possède une fermeture à glissière pour permettre l’entrée par le devant. Il comporte plus de 300 pieds de tubes en plastique entrelacés dans lesquels circule de l’eau fraîche. Normalement, l’eau qui circule est maintenue à une température de 40-50° F (4,4-9,9° C). La température est contrôlée par une vanne située sur le panneau de commande de l’écran. Le vêtement inférieur pèse 8,4 lb (3,8 kg) lorsqu’il est chargé d’eau.

L’ensemble du torse inférieur est composé du pantalon, des bottes, de l’unité « brief », des articulations des genoux et des chevilles et de la connexion de la taille. Il est composé d’une vessie de pression en nylon enduit d’uréthane. Une couche de contention en Dacron et un vêtement thermique extérieur en nylon revêtu de néoprène. Elle comporte également cinq couches de Mylar aluminisé et une couche de surface en tissu composée de Teflon, Kevlar et Nomex. Cette partie de la combinaison peut être raccourcie ou rallongée en ajustant les anneaux de dimensionnement dans la section des cuisses et des jambes. Les bottes ont un embout isolé pour améliorer la rétention de la chaleur. Des chaussettes thermiques sont également portées. Le dispositif de stockage de l’urine est également situé dans cette section de la combinaison. Les anciens modèles pouvaient contenir jusqu’à 950 millilitres de liquide. Actuellement, un vêtement de type couche jetable est utilisé.

L’ensemble bras est ajustable tout comme l’ensemble bas du torse. Les gants contiennent

Une unité de mobilité extravéhiculaire (UME).

des chauffages miniatures à piles dans chaque doigt. Le reste de l’unité est recouvert de rembourrage et d’une couche extérieure protectrice supplémentaire.

Le torse supérieur dur est construit avec de la fibre de verre et du métal. C’est là que la plupart des pièces de la combinaison se fixent, y compris le casque, les bras, l’affichage du système de survie, le module de contrôle et le bas du torse. Il comprend des bouteilles d’oxygène, des réservoirs d’eau, un sublimateur, une cartouche de contrôle des contaminants, des régulateurs, des capteurs, des valves et un système de communication. L’oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau quittent la combinaison par le vêtement de ventilation situé près des pieds et des coudes de l’astronaute. Un sac à boisson situé dans la partie supérieure du torse peut contenir jusqu’à 907,2 g d’eau. L’astronaute peut prendre une boisson à travers l’embout buccal qui s’étend dans le casque.

Le module de contrôle monté sur la poitrine permet à l’astronaute de surveiller l’état de la combinaison et de se connecter à des sources externes de fluides et d’électricité. Il contient toutes les commandes de fonctionnement mécaniques et électriques ainsi qu’un panneau d’affichage visuel. Une batterie rechargeable en zinc argenté, qui fonctionne à 17 volts, est utilisée pour alimenter la combinaison. Ce module de commande est intégré au système d’avertissement situé dans la partie supérieure rigide du torse afin que l’astronaute connaisse l’état de l’environnement de la combinaison. Le scaphandre est relié à l’orbiteur par une ligne ombilicale. Elle est déconnectée avant de quitter le sas.

La combinaison blanche pèse environ 275 lb (124,8 kg) sur terre et a une espérance de vie du produit d’environ 15 ans. Elle est pressurisée à 4,3 lb (1,95 kg) par pouce carré et peut être rechargée en se branchant directement sur l’orbiteur. L’existant

Le système de survie primaire est un sac à dos autonome qui est équipé d’une alimentation en oxygène, de filtres d’élimination du dioxyde de carbone, d’une alimentation électrique, d’un ventilateur et d’un équipement de communication.

Les combinaisons spatiales sont modulaires afin qu’elles puissent être partagées par plusieurs astronautes. Les quatre sections de base interchangeables comprennent le casque, le torse supérieur rigide, les bras et l’ensemble du torse inférieur. Ces parties sont réglables et peuvent être redimensionnées pour s’adapter à plus de 95 % des astronautes. Chaque ensemble de bras et de jambes a une taille différente qui peut être ajustée pour s’adapter à un astronaute spécifique. Les bras peuvent être ajustés d’un pouce. Les jambes permettent un ajustement jusqu’à trois pouces.

Il faut environ 15 minutes pour enfiler la combinaison spatiale. Pour enfiler la combinaison spatiale, l’astronaute met d’abord le vêtement inférieur qui contient le système de refroidissement liquide et de ventilation. L’assemblage inférieur du torse est ensuite enfilé, les bottes étant fixées. Ensuite, l’astronaute se glisse dans l’unité de torse supérieure qui est montée avec le sac à dos de survie sur un connecteur spécial dans le sas. Les anneaux de déchets sont connectés, puis les gants et le casque sont enfilés.

Le processus de fabrication

La fabrication d’une combinaison spatiale est un processus compliqué. Elle peut être décomposée en deux phases de production. D’abord, les composants individuels sont construits. Ensuite, les pièces sont rassemblées dans un lieu de fabrication primaire, comme le siège de la NASA à Houston, et assemblées. Le processus général est décrit comme suit.

Assemblage du casque et de la visière

• 1 Le casque et la visière peuvent être construits en utilisant des techniques traditionnelles de moulage par soufflage.
  

  Une UEM est composée de 14 couches de protection. Les matériaux du tissu comprennent une variété de différents polymères synthétiques. La couche la plus interne est un matériau en tricot de nylon. Une autre couche est composée de spandex, un polymère élastique portable. Il existe également une couche de nylon enduit d’uréthane, qui intervient dans la pressurisation. Le dacron, un type de polyester, est utilisé comme couche de retenue de la pression. Les autres tissus synthétiques utilisés comprennent le néoprène qui est un type de caoutchouc spongieux, le Mylar aluminisé, le Gortex, le Kevlar et le Nomex.

  Des granulés de polycarbonate sont chargés dans une machine de moulage par injection. Elles sont fondues et forcées dans une cavité qui a la taille et la forme approximatives du casque. Lorsque la cavité est ouverte, la pièce primaire du casque est construite. Un dispositif de connexion est ajouté à l’extrémité ouverte afin que le casque puisse être fixé à la partie supérieure dure du torse. Le coussin de distribution de la ventilation est ajouté ainsi que les valves de purge avant que le casque ne soit emballé et expédié. L’ensemble visière est pareillement équipé de « lampes frontales » et d’équipements de communication.

Systèmes de survie

• 2 Les systèmes de survie sont assemblés en plusieurs étapes. Toutes les pièces sont montées sur le boîtier extérieur du sac à dos. D’abord, les réservoirs d’oxygène pressurisés sont remplis, bouchés et placés dans le boîtier. L’équipement d’élimination du dioxyde de carbone est assemblé. Il s’agit généralement d’une boîte filtrante remplie d’hydroxyde de lithium qui est reliée à un tuyau. Le sac à dos est ensuite équipé d’un système de ventilation, d’une alimentation électrique, d’une radio, d’un système d’alerte et de l’équipement de refroidissement par eau. Une fois complètement assemblé, le système de survie peut se fixer directement sur la partie supérieure dure du torse.

Module de commande

• 3 Les composants clés du module de commande sont construits en unités séparées, puis assemblés. Cette approche modulaire permet aux pièces clés d’être facilement réparées si nécessaire. Le module de commande monté sur la poitrine contient toutes les commandes électroniques, un écran numérique et d’autres interfaces électroniques. La valve de purge primaire est également ajoutée à cette pièce.

Vêtement de refroidissement

• 4 Le vêtement de refroidissement est porté à l’intérieur des couches de pression. Il est constitué d’une combinaison de nylon, de fibres spandex et de tubes de refroidissement liquide. Le tricot de nylon est d’abord coupé en une forme de sous-vêtement long. Pendant ce temps, les fibres spandex sont tissées dans une feuille de tissu et découpées dans la même forme. Le spandex est ensuite équipé d’une série de tubes de refroidissement, puis cousu à la couche de nylon. Une fermeture éclair frontale est ensuite fixée ainsi que des connecteurs pour la fixation au système de survie.

Torse supérieur et inférieur

• 5 Le torse inférieur, l’ensemble des bras et les gants sont fabriqués de manière similaire. Les différentes couches de fibres synthétiques sont tissées ensemble, puis coupées à la forme appropriée. Des anneaux de connexion sont fixés aux extrémités et les différents segments sont attachés. Les gants sont équipés d’éléments chauffants miniatures dans chaque doigt et recouverts d’un rembourrage isolant.
• 6 Le torse supérieur dur est forgé en utilisant une combinaison de fibre de verre et de métal. Il possède quatre ouvertures où s’attachent l’assemblage inférieur du torse, les deux bras et le casque. De plus, des adaptateurs sont ajoutés où le pack de survie et le module de contrôle peuvent être fixés.

Assemblage final

• 7 Toutes les pièces sont expédiées à la NASA pour être assemblées. Cela se fait sur le sol où la combinaison peut être testée avant d’être utilisée dans l’espace.

Contrôle de la qualité

Les différents fournisseurs effectuent des tests de contrôle de la qualité à chaque étape du processus de production. Cela permet de s’assurer que chaque pièce est fabriquée selon des normes rigoureuses et qu’elle fonctionnera dans l’environnement extrême de l’espace. La NASA effectue également des tests approfondis sur la combinaison entièrement assemblée. Elle vérifie notamment l’absence de fuites d’air, de dépressurisation ou de dysfonctionnement des systèmes de survie. Les tests de contrôle de la qualité sont cruciaux car un seul dysfonctionnement pourrait avoir des conséquences désastreuses pour un astronaute.

L’avenir

La conception actuelle des EMU est le résultat de nombreuses années de recherche et de développement. Bien qu’ils soient un outil puissant pour les opérations orbitales, de nombreuses améliorations sont possibles. Il a été suggéré que la combinaison spatiale du futur pourrait être radicalement différente de la combinaison actuelle. L’un des domaines susceptibles d’être améliorés est le développement de combinaisons pouvant fonctionner à des pressions plus élevées que l’EMU actuel. Cela aurait l’avantage de réduire le temps actuellement nécessaire à la prérespiration avant une sortie dans l’espace. Pour fabriquer des combinaisons à pression plus élevée, des améliorations devront être apportées aux joints de connexion de chaque partie de la combinaison. Une autre amélioration peut consister à redimensionner la combinaison en orbite. Actuellement, il faut beaucoup de temps pour retirer ou ajouter des inserts extensibles au niveau des jambes et des bras. Une autre amélioration possible concerne les commandes électroniques de la combinaison. Ce qui nécessite aujourd’hui des codes de commande complexes se fera à l’avenir en appuyant sur un seul bouton.